Оптические явления в низкоразмерных структурах Тимошенко Виктор Юрьевич

Оптические явления в низкоразмерных структурах Тимошенко Виктор Юрьевич Гончар Кирилл Александрович Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова, Физический факультет

Лекция 13. Оптические свойства и применения органических полупроводников Исторические аспекты органической оптоэлектроники: факты и аналогии. Базовые свойства органических полупроводников (ОП). Преимущества ОП Недостатки ОП. Применения ОП в светоизлучающей и фоточувствительной оптоэлектронике. Прогноз будущего ОП.

Органические и неорганические полупроводники (сравнение) • Silicon based inorganic material • Covalently bonded crystals n n Оrganic molecules based material Van der Waals bonded crystals

Органические полупроводники (определения и общие сведения ) Органические полупроводники - твёрдые органические вещества, которые имеют (или приобретают под влиянием внешних воздействий) электронную или дырочную проводимости. К полупроводникам органическим относятся органические красители (например, метиленовый голубой, фталоцианины), ароматические соединения (нафталин, антрацен, виолантрен и др. ), полимеры с сопряжёнными связями, некоторые природные пигменты (хлорофилл, b-каротин и др. ), молекулярные комплексы с переносом заряда, а также ион-радикальные соли. Полупроводники органические существуют в виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и плёнок. Величины удельного сопротивления при комнатной температуре у органических полупроводников лежат в диапазоне от 1018 ом×см (нафталин, антрацен) до 1 ом×см (проводящие полимеры). Наиболее проводящими полупроводниками органическими являются ионрадикальные соли, на основе анион-радикала тетрацианхинодиметана. Они обнаруживают электропроводность металлического характера. У полупроводников органических с низкой электропроводностью наблюдается явление фотопроводимости.

• Полупроводники органические характеризуются наличием в молекулах системы сопряжения электронных связей. • Носители тока в полупроводниках органических образуются в результате возбуждения -электронов, делокализованных по системе сопряжённых связей. • Энергия активации, необходимая для образования носителей тока в полупроводниках органических, снижается по мере увеличения числа сопряжений в молекуле и в полимерах может быть порядка тепловой энергии.

К органическим полупроводникам относятся соединения, содержащие атомы углерода с sp 2 pz гибридизацией атомных орбиталей. В этом случае три электронные орбитали атома углерода лежат в одной плоскости (σ-связи), и одна pорбиталь перпендикулярна этой плоскости (π-связи). Электроны, образующие σ-связь, строго локализованы, электроны на π-орбиталях локализованы существенно слабее. Именно эти электроны обеспечивают проводимость органических соединений. Основное состояние формируется из двух состояний с разными энергиями (π−π∗). На языке молекулярных орбиталей эти состоянияоб означаются как HOMO (highest occupied molecular orbital) и LUMO (lowest unoccupied molecular orbital). Энергетический зазор между HOMO и LUMO определяет ширину запрещенной зоны.

История открытия электропроводящих полимеров • В начале 1977 японский химик Ширакава (Shirakawa) изучал полимеризацию ацителена и обнаружил результат реакции в виде малоприметного черного порошка • Случайно один из приглашенных ученых случайно добавил в реакционную среду большее, чем нужно, количество катализатора и обнаружил появление серебристой пленки на поверхности жидкого полимера. • Встал закономерный вопрос: «Если пленка пластика имеет металлический цвет, то может она также проводит электричество как металл? » Official Nobel Website

Nobel Prize in Chemistry 2000

Polymer Chain

Преимущества органических полупроводников • Organic electronics are lighter, more flexible • Low-Cost Electronics – No vacuum processing – No lithography (printing) – Low-cost substrates (plastic, paper, even cloth…) – Direct integration on package (lower insertion costs)

Сравнение органических и неорганических полупроводников Organic Electronic Silicon Cost $5 / ft 2 $100 / ft 2 Fabrication Cost Low Capital $1 -$10 billion Device Size 10 ft x Roll to Roll < 1 m 2 Material Flexible Plastic Substrate Rigid Glass or Metal Required Conditions Ambient Processing Ultra Cleanroom Process Continuous Direct Printing Multi-step Photolithography

Недостатки органических полупроводников • Conductive polymers have high resistance and therefore are not good conductors of electricity. • Because of poor electronic behavior (lower mobility), they have much smaller bandwidths. • Shorter lifetimes and are much more dependant on stable environment conditions than inorganic electronics would be.

Применения • Displays: – (OLED) Organic Light Emitting Diodes • RFID : – Organic Nano-Radio Frequency Identification Devices • Solar cells

Органические светоизлучающие устройства (OLED) • One of the biggest applications of organic transistors right now. Organic TFTs may be used to drive LCDs and potentially even OLEDs, allowing integration of entire displays on plastic. • Brighter displays • Thinner displays • More flexible

Динамика развития органических и неорганических светодиодов

Основные принципы OLED

Механизм OLED

Материалы для OLED

Фотолюминесценция

Электролюминесценция

Спектры электролюминесценции и поглощение света (Стоксов сдвиг)

Механизмы электропроводности

Многоцветные и многослойные OLED

OLET (Organic Light Emitting Transistor) - органические светоизлучающие транзисторы • Структура активной зоны OLET состоит из трех органических слоев. Нижний и верхний слои изготовлены из полупроводника n-типа и p-типа соответственно. Средний слой служит источником фотонов. Суммарная толщина всех трех слоев равна 62 нм. • Трехслойная структура обеспечивает высокий КПД, устраняя некоторые принципиальные недостатки OLED. По данным разработчиков, по эффективности OLET предложенной ими структуры превосходит «эквивалентный OLED» в 100 раз, «оптимизированный OLED с тем же светоизлучающим слоем» — в два раза, любой другой OLET — в 10 раз. • Предполагается, что технология OLET может стать не только основой дисплеев нового типа, но и найти применение в интегральных оптических соединениях.

OLED дисплеи и мониторы Flat panel TV made from organic LEDs. Manufactured by Sony. Плейеры Sony и Microsoft, Walkman и Zune HD совстроенными органическими OLED – дисплеями

Преимущества OLED дисплеев

Недостатки OLED дисплеев

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) – солнечные элементы

Органические солнечные элементы

Принцип работы и эффективность

Гибридные фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) • The light falls on the polymer • Electron/hole is generated • The electron is captured C 60 • The electricity is passed by the nanotube

Примеры первых ФЭП (СЭ) из ОП

Тонкопленочные органические СЭ

Тонкопленочные СЭ из органометаллических перовскитов

Оптические свойства органометаллических перовскитов Состав Eg 1, э. В Eg 2, э. В MAPb. I 3 1. 55 2. 10 MAPb. I 2. 75 Br 0. 25 1. 70 2. 20 MAPb. Br 3 2. 45 3. 05

Дригие применния органических полупроводников • «Умные» ткани • Лаборатории на чипе (Lab on a chip) • Компактные плоские экраны • Лечение рака кожи

Прогноз в развитии электроники

Контрольные вопросы к Лекции 13: • Каковы особенности электронных свойств ОП? • Что является аналогом краев зон валентных электронов и проводимости? • Каковы преимущества и недостатки ОП для фотоэлектрических преобразователей и светоилучающих устройств ? • Каковы перспективы ОП в оптоэлектронике и других областях?